一种振动形变观测方法、装置及记录方法与流程

本发明属于振动形变测量技术领域，更具体的是一种振动形变观测方法、装置及记录方法。

背景技术：

研究物体在振动时的形变非常重要，可以分析物体振动时的受力情况，为结构设计提供基础数据参考。另外，研究动物运动(例如昆虫翅膀振动)也是一种观测振动物体形变的工作。在研究声学的时候，也会分析物体的振动形变。通常这些物体的振动频率都比较快，一般从几十赫兹到上千赫兹，此时肉眼无法直接观测物体振动时候的形变，通常的方法是通过高速摄影机记录下来(数千到数万帧每秒)，再以通常的播放速度(25帧每秒左右)回放，才可以观测到振动形变。但是高速摄影机成本非常高，而且需要大功率照明才可以正常拍摄。

技术实现要素：

本发明针对现有技术缺陷，提出了低成本的振动形变观测、装置及和记录方法。

本发明技术方案提出一种振动形变观测方法，首先对被观测的振动目标进行振动频率测量，记测量结果为f，然后合成一个频率为f-δ的方波信号，δ为预设的频率差值，按照此方波信号控制光源以频率f-δ闪烁，在时间上拉长展示物体振动时的形变状况，拉长为将物体振动的原始振动过程的f/δ倍。

而且，频率差值δ取值0.1到2赫兹之间。

而且，光源亮起的占空比为10％。

本发明相应提供一种振动形变观测装置，包括换能器1、信号调理器2、频率分析模块3、频率合成器4和光源5，换能器1、信号调理器2、频率分析模块3、频率合成器4和光源5依次连接，

所述换能器1，用于采集被观测的振动目标的振动信号，转换成电信号，并传输到信号调理器2；

所述信号调理器2，用于将换能器1输入的电信号放大滤波，并传输到频率分析模块3；

所述频率分析模块3，用于提取出被观测的振动目标的振动频率f，并传输到频率合成器4；

所述频率合成器4，用于合成一个频率为f-δ的方波信号，δ为预设的频率差值，并传输到光源5；

所述光源5，用于以频率f-δ闪烁，在时间上拉长展示物体振动时的形变状况，拉长为将物体振动的原始振动过程的f/δ倍。

而且，频率差值δ取值0.1到2赫兹之间。

而且，光源亮起的占空比为10％。

而且，换能器1采用振动传感器或者话筒。

本发明相应提供一种振动形变记录方法，首先对被观测的振动目标进行振动频率测量，记测量结果为f，然后合成一个频率为f-δ的方波信号，δ为预设的频率差值，按照此方波信号控制光源以频率f-δ闪烁，在时间上拉长展示物体振动时的形变状况，拉长为将物体振动的原始振动过程的f/δ倍；采用摄像机进行拍摄，记录在时间上拉长的物体振动时的形变状况。

而且，使快门曝光时间长于光源的闪烁周期。

或者，用光源控制信号控制摄像机快门。

本发明利用频率差累计相位差的方式，巧妙实现了用肉眼即可对高速振动物体形变的观测，同时可以用普通摄像机对高速振动物体的形变进行摄像记录，而且提供低成本的振动形变观测装置，适于推广使用，具有重要的市场价值。

附图说明

图1为本发明实施例的物体振动频率、光源闪烁频率与观测到的振动频率之间的关系示意图。

图2为本发明实施例的原理结构示意图。

图3为本发明实施例的电路结构示意图。

图4为本发明实施例的频率分析合成电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

振动物体的振动频率一般在几十到上千赫兹，而且其振动频率主要由材料、形状、尺寸决定，因此其振动频率比较稳定，每次振动的过程也基本一致。因此，本发明提出用一个闪光频率接近其振动频率的光源对其照明(例如比振动频率低1赫兹)，由于每次振动与照明的频率差的原因，照明的时刻与振动位置的相位差即可在一个周期内顺序变化，而变化的频率正好是振动频率与光源闪动频率之差。这样即可顺序捕捉到振动物体一个周期内不同相位时的状态，连接起来正好是振动物体的连续形变。虽然物体振动频率没有改变，但是观测到的视觉振动频率却是振动频率与闪光频率之差(例如1赫兹)，此时可以清晰观测到物体振动时各个位置发生的形变，同时也可以用普通摄像机进行记录，但因光源是闪烁的，摄像可能会造成黑条、闪动现象，本发明进一步提出：一方面可以通过调整曝光时间改善，另一方面，如果摄像机支持快门控制，可以将控制光源的信号直接或者分频后控制摄像机快门，以达到完全同步，保证摄像效果。

首先用换能器(振动传感器或者话筒)对被观测的振动目标的振动频率进行测量，记测量结果为f，然后合成一个频率为f-δ的信号，频率差值δ优选取值0.1到2赫兹之间，并以此信号控制光源的闪烁，即光源以频率f-δ闪烁。其亮起的占空比优选控制在10％左右，即在每个周期内，光源亮起的时间占总时间的10％，例如光源的闪烁频率为100赫兹，则每个周期的长总时间度是10毫秒，光源亮起1毫秒，熄灭9毫秒。占空比太低则目标亮度不够，不易观测，占空比太高则会引起观测目标模糊的情况。

设物体的任意质点的振动方程为：

a＝a×cos(t×f×2×π+ω)公式1

其中a为质点的位置，a为振幅，t为时间，f为振动频率，ω为初始相位。每个质点的初始相位不尽相同。

则光源闪烁方程为：(为简化表示，用正弦波表示，实际为方波，光源在高电平时亮)

l＝b×cos(t×(f－δ)×2×π)公式2

其中l是光源状态，b为振幅，由于控制光源的是方波，因此实际中b＝1。

实际设计是占空比可调的方波，让光源在高电平时亮，为简化分析，认为光源在l＝1的时候亮。则光源亮起的时候，满足的条件是：

t×(f－δ)×2×π＝2×n×π，n＝0,1,2,3……公式3

其中n为周期数。

则：

t＝n/2(f－δ)，n＝0,1,2,3……公式4

所观测到的振动物体的任意质点的状态为：

s＝a×cos((n/2(f－δ))×f×2×π+ω)，n＝0,1,2,3……公式5

再假设将物体振动一个周期的时间1/f平均分成f－δ等份，每段时间长度为1/(f×(f－δ))，如果在每个等份时刻观测物体，则可以观测到物体的振动状态，且观测到的状态为：

s’＝a×cos((n/2(f－δ))×2×π+ω)，n＝0,1,2,3……公式6

s-s’＝-2×a×sin(n×π×f/(f-δ))×sin(n×π×(f-1)/(f-δ))，n＝0,1,2,3……公式7

令d为某质点在一个振动周期内某时刻的位置与实际观测到的位置的距离差，则：

d＝sin(n×π×f/(f-δ))×sin(n×π×(f-1)/(f-δ))，n＝0,1,2,3……公式8

由于δ取值很小(优选取值在0.1到2之间)，f值一般在几十到一千赫兹之间，故f-δ、f、f－1三个数值非常接近，因此，f/(f-δ)与(f-1)/(f-δ)的值都接近于1，于是d的值接近于sin(n×π)×sin(n×π)，而n为整数，因此d接近于0，即使当f＝50赫兹，δ＝2赫兹的时候，d的值也不大于0.01。可以认为，观测到的物体的振动状态s与其实际的振动状态s’是非常接近的，且所观测到的物体的视觉效果振动频率为δ。由于原来质点的振动频率为f，而实际观察到的振动频率为δ，f的值一般是几十到几百赫兹，而δ的值一般是0.1-2赫兹，因此相当于把原来的振动过程拉长了f/δ倍，差不多是几十到几千倍。

因此，本发明实施例提供一种振动形变观测方法，首先对被观测的振动目标进行振动频率测量，记测量结果为f，然后合成一个频率为f-δ的方波信号，δ为预设的频率差值，按照此方波信号控制光源以频率f-δ闪烁，在时间上拉长展示物体振动时的形变状况，拉长为将物体振动的原始振动过程的f/δ倍。

本发明经过实验提出，δ优选取值在0.1到2赫兹之间，可以取得比较舒适的观测效果，当物体振动频率较高的时候，可以适当提高δ的取值，但一般不宜超过5hz，否则观测效果不好。特别的，当δ＝1赫兹的时候，d＝0。

故此，通过本发明的方法，清晰准确观测到了物体振动时的形变状况，并可以用普通摄像机进行记录。

图1中，画出了物体振动频率为10赫兹(振幅为1的实线)，即f＝10。光源闪烁频率为9赫兹(振幅为0.2的虚线)即δ＝1，横坐标是时间，纵坐标是振幅。在横轴上的圆圈代表的是光源闪烁的时刻，此时对应于公式2中l＝1，’x’符号表示在光源亮起的时刻，物体振动的状态，’口’符号表示在物体振动一个周期内，将时间均分为9份，每一份时刻开始时的振动状态，可见，每一个’x’符号都有’口’符号对应，’x’符号连接起来的点划线就相当于把物体振动状态在时间上拉长，也就是视觉上感觉到振动变慢了，可以用肉眼观测到了。其视觉频率恰好为1赫兹，即物体振动频率与闪光频率的差频δ。

图2展示了实现原理，换能器1、信号调理模块2、频率分析模块3、频率合成器4和光源5依次连接。换能器1采集振动目标的振动信号，转换成电信号，传输到信号调理模块2，信号在此被放大以及滤波后传输到频率分析模块3，提取出物体振动的瞬时频率f，并由此频率决定频率合成器4所合成的信号频率f-δ，δ是频率差，该信号是方波信号，占空比可调，用于控制光源5产生闪烁的照明，高电平的时候，光源5打开，低电平时光源5关闭。频率合成器4采用单片机实现的成本较低，而且实现容易，除此之外，也可以用fpga或者vco(压控振荡器)等来实现。频率分析模块3和频率合成器4可以集成实现为频率分析合成模块，可以采用锁相环和压控振荡器实现，或者采用单片机实现。换能器1可以采用振动传感器或者话筒。频率合成器4的输出传送到光源5可采用开关组件实现。光源5可采用普通的白色led照明光源。信号调理模块2可以采用现有的信号调理器。

此外，还可以设置电源为需要的部件提供工作电压。进一步地，可以提供控制面板供用户自行进行设置。

如图3，实施例用振动传感器11、信号调理器12、频率分析合成模块13、开关组件14、白色led照明光源15以及电源16和控制面板17来实现。振动传感器11、信号调理器12、频率分析合成模块13、开关组件14和白色led照明光源15依次连接，控制面板17连接频率分析合成模块13，电源16分别连接信号调理器12、频率分析合成模块13、开关组件14。

对于可以接触到的观测目标，振动传感器11接触观测目标，以探测其振动频率。对于难以接触的观测目标(例如昆虫振动的翅膀)，换能器也可以用话筒，用以采集目标振动发出的声音，以检测其振动频率。

信号调理器12用lm324运算放大器组成，所实现的功能是对振动传感器11采集到的微弱信号进行放大，并进行滤波，一般来说只保留1000赫兹以下的信号，因为多数振动物体的频率在此范围内。

频率分析合成模块13采用单片机时，性能要求不高，但优选带有计时器timer，以便实现频率分析。此处选用atmel的atmega328。

控制面板17优选提供的作用一是控制信号调理器12的放大倍数以及滤波截止频率，二是控制预设频率差δ以及光源的亮度。控制面板17的设置可以输入到单片机，通过单片机进行控制。

经信号调理器12处理后的信号送至单片机，单片机对其进行频率计数，得到其频率f，然后将f减去控制面板17预设的频率差δ，得到光源闪烁频率f-δ，并根据该值控制单片机自身具备的计时器(timer)，使得计时器的输出信号的频率为f-δ，同时还根据控制面板17设置的亮度设置计时器timer输出信号的的占空比。

开关组件14由场效应管ifr540构成，单片机的计时器输出的信号控制开关组件14，当输出信号为高电平的时候，开关组件14导通，控制白色led照明光源15发光，当输出低电平的时候，开关组件14截止，白色led照明光源15关闭。白色led照明光源15应当照射到被观测目标上。

按照这样的设计，白色led照明光源15的闪烁频率即可以比观测目标振动频率高δ，当δ为0.1到2之间的时候，肉眼可以清晰观测到振动形变的情况，并可以用普通摄像机或照相机进行影像记录。

频率分析合成模块13也可以采用锁相环和压控振荡器实现，参见图4：包括参考频率源101、锁相环102、混频器103和压控振荡器104，信号调理器12连接混频器103，参考频率源101和混频器103分别连接锁相环102，锁相环102连接压控振荡器104，压控振荡器104的输出连接混频器103和开关组件14。信号调理器12的信号和压控振荡器104的输出信号都送至混频器103进行混频，以求得差频信号。压控振荡器104的输出信号同时送至开关组件14控制光源。参考频率源101与混频器103得到的差频信号送至锁相环环102进行比较。

首先将参考频率源101设置为δ，混频器103将来自信号调理器12的信号和压控振荡器104的信号混频得到差频信号，差频信号和来自参考频率源101的信号送入锁相环102进行比较，并用比较结果控制压控振荡器104，在锁相环102的控制下，使得压控振荡器104合成的信号与来自信号调理器12的信号的频率差为δ。此时压控振荡器104的输出信号与来自信号调理器12的信号始终维持一个差频δ。

具体实施时，参考频率源(refclock)、锁相环(pll)、混频器(vco)和压控振荡器(mixer)可以采用现有元器件。比较低成本的实现是选用lm567，该芯片集成了pll,vco。参考频率源使用通用的晶体振荡器分频产生。

本发明实施例还相应提供一种振动形变记录方法，首先对被观测的振动目标进行振动频率测量，记测量结果为f，然后合成一个频率为f-δ的方波信号，δ为预设的频率差值，按照此方波信号控制光源以频率f-δ闪烁，在时间上拉长展示物体振动时的形变状况，拉长为将物体振动的原始振动过程的f/δ倍；采用摄像机进行拍摄，记录在时间上拉长的物体振动时的形变状况。

当需要摄像时，需要注意，由于光源是闪烁的，人的眼睛可以通过视觉暂留效应产生物体连续运动的假象，但是摄像机的快门是瞬间打开的，因此有可能产生闪烁、黑条现象。本发明进一步提出通过两种可以选择的方式来解决这个问题：

1，如果摄像机的快门无法通过外部触发控制，则可以适当延长快门曝光时间。具体的，应当使快门曝光时间长于光源的闪烁周期。例如，光源闪烁频率为100赫兹，则其闪烁周期为

1/100＝0.01秒

只要让摄像机的快门曝光时间等于0.01秒，就可以保证在每一次曝光期间，捕捉到一次光源照明。进一步的，如果摄像机的快门曝光时间等于0.02秒，就可以保证每一次曝光时间捕捉到两次光源照明。这样可保证摄像结果没有闪烁和黑条。

2，如果摄像机支持快门外部触发，则可以用光源控制信号控制摄像机快门。由于一般摄像机的帧频大约在24-30fps，低于光源闪烁频率，因此不是每次光源亮起的信号都能触发快门，但是这样能使得每次快门曝光的时候都有光源照明，并使帧频尽可能高。

本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明进行举例说明。任何熟悉该技术的技术人员在本发明做揭露的技术范围内，都可轻易得到其变化或替换，因此本发明保护范围都应涵盖在由权利要求书所限定的保护范围之内。